Aerosole und Partikelbildung

Aerosole sind feste (griech.: sol) und/oder flüssige Teilchen, die in der Luft (griech.: Aero) schweben. Dabei umfasst der Begriff des Aerosols ein breites Spektrum von Seesalzteilchen, Pollen und Mineralstaub hin bis zu Schwefelsäuretröpfchen und anderen Kleinstpartikeln. Vom Aerosol getrennt werden Wassertröpfchen und Eiskristalle, die zumeist erst durch das Vorhandensein von anderen Aerosolpartikeln gebildet werden können.

Vorkommen und Entstehung

Atmosphärische Aerosole kommen im allgemeinen im Größenbereich von 1 nm (1 Millionstel mm) bis ca. 100 µm (1 Zehntel mm) vor und haben eine Vielzahl von Quellen. Ihre Konzentration liegt in der Regel über dem Meeren und Ozeanen, sowie abgelegenen kontinentalen Gebieten in der Größenordnung von ca. 1000 bis ca. 10.000 Teilchen pro cm³. In Städten kann sie gerade im Winter während der Heizperiode oder durch den Verkehr (Russausstoss bzw. Oxidation von aromatischen Kohlenwasserstoffen) auf über 100.000 Teilchen pro cm³ ansteigen.

Je nachdem durch welchen Prozess die einzelnen Aerosolpartikel entstehen, dominieren sie einen bestimmten Teilchengrößenbereich. Man unterscheidet im hier zwischen der Bildung von Teilchen aus Feststoffen (bulk-to-particle-conversion (BPC)), der Bildung von Teilchen aus Gasen (gas-to-particle-conversion (GPC)) und der Bildung von Teilchen durch Reaktionen von gelösten Stoffen in Wolkentröpfchen.

Bulk-to-particle-conversion (Bildung aus Feststoffen)

Viele Teilchen entstehen aus bereits vorhandenen Materialien wie z.B. Mineralstaub (z.B. aus Wüsten), Tonerdemineralien (Bodenerosion) oder primär biologischen Partikeln (z.B. Pollen, Bakterien, Sporen, Insektenbruchstücke aus der Vegetation) durch Windeinfluss. So gelangt - als ein weiteres Beispiel - das Seesalz durch Schaumbildung auf dem Meer bzw. durch das Aufreißen der Meeresoberfläche durch aufsteigende im Wasser gelöste Gase in die Luft und trocknet bei geringer Luftfeuchte (< 30%) bis zum reinen Salz wieder ab. Mineralstaub (z.B. Saharastaub) gelangt dagegen durch den Prozess der Saltation, dem Anstossen von kleinen Teilchen durch andere rollende oder springende Teilchen (Beispiel: Sanddüne) in die Atmosphäre.

Diese Teilchen, die alle aus bereits bestehendem Material gebildet werden sowie auch die vielfältigen biologischen Teilchen sind im Wesentlichen im Größenbereich oberhalb von 0.1 µm im Radius zu finden. Dies ist der Größenbereich der großen (0.1 µm – 1 µm im Radius) und der Riesenteilchen (1 µm und größer).

Gas-to-particle-conversion (Bildung aus der Gasphase)

Muss für ein Teilchen die Aerosolsubstanz erst aus der Gasphase gebildet werden, so findet man sie hauptsächlich im untersten Größenbereich (kleiner als 0,1 µm), dem Bereich der Aitkenteilchen (1 nm – 0,1 µm im Radius). Hierbei findet eine chemische Reaktion statt, bei der sich aus relativ flüchtigen Substanzen wie z.B. SO2 und Wasser eine schwerflüchtigere Substanz wie z.B. Schwefelsäure bildet. Hierbei reagieren Spurengase, die in kleinen Mengen in der Atmosphäre vorhanden sind, sowie Wasser aus der normalen Luftfeuchte. Man spricht wegen dieser Umwandlung von Substanzen auch von sekundären Teilchen. Die neu gebildeten schwerflüchtigen Moleküle formen dann Cluster (Molekülzusammenballungen), auf deren Oberfläche weitere Substanzen kondensieren. Ab 1 nm Grösse werden sie als Aerosol bezeichnet.

Am Komplex der Teilchenbildung durch den GPC-Prozess wird derzeit noch intensiv geforscht, da hier viele Faktoren ein Einfluss auf die Menge und Art der Partikelneubildung haben. Teilweise sind die Bildungswege auch noch nicht bekannt. Diskutiert werden hier vor allem zwei Wege:
zum einen Schwefelsäuretröpfchen aus der Reaktion von Wasser mit bereits gebildeter Schwefelsäure und Ammoniak
zum anderen die Bildung von sekundären organischen Partikeln aus der Oxidation von flüchtigen Kohlenwasserstoffen wie z.B. Terpenen (Terpene werden von den Wäldern freigesetzt - Pflanzenriechstoffe) oder Aromaten wie Toluen oder Benzen (überwiegend durch menschlichen Einfluss in den Städten gebildet). Die Oxidation erfolgt durch die drei Hauptoxidationsmittel der Atmosphäre Ozon, OH und NO3.

Bildung von Aerosolpartikeln in Wolkentröpfchen

Zuletzt muss man die Aerosolpartikel nennen, die durch Wolkentröpfchen gebildet bzw. verändert werden. Löst sich ein Aerosolteilchen (Wolkenkondensationskern) im aufgenommenen Wasser (Wolkentröpfchen) und reagiert dann mit anderen im Tröpfchen gelösten Stoffen, kann es eine neue Aerosolsubstanz bilden, aus der bei Verdunstung des Wassers ein neues Aerosolteilchen ensteht. Der Hauptteil der Wolken geht nämlich nicht als Regen zur Erde nieder, sondern verdunstet wieder.

Senken

Sind die Aerosole erst einmal in der Atmosphäre, so werden sie durch verschiedene Vorgänge wieder aus der Luft entfernt:

a) Diffusion (= Anstreben einer gleichmässigen Verteilung): Kleinere Aerosolpartikel verteilen sich (diffundieren) in der Luft, stossen dabei auf grössere Partikel und vereinigen sich mit diesen großen Aerosolpartikeln;

b) Sedimentation: Bei größeren Aerosolpartikeln nimmt der Einfluss der Erdanziehung zu und sie fallen zum Erdboden;

c) Ausregnen und Auswaschung: Aerosole in Wolkentröpfchen bzw. Aerosole die durch Wolkentröpfchen eingefangen werden, werden im Regenwasser aus der Atmosphäre ausgewaschen;

d) Impaktion: Bei Aufprall auf Hindernissen bleiben Partikel haften.

Die Partikel mit einem Radius von 0,3 µm befinden sich dabei am längsten in der Luft, da diese Prozesse bei ihnen am wenigsten Wirkung zeigen.

Effekte von Aerosolen in der Atmosphäre

Wolkentröpfchenbildung

Besonders interessant sind Aerosole für die Bildung von Wassertröpfchen in der Atmosphäre. Müsste der Wasserdampf in der Atmosphäre Tropfen ohne die Aerosolpartikel bilden, so wäre hierbei die Bildung neuer Oberflächen so stark gehemmt, dass eine relative Luftfeuchte von ca. 600 % nötig wäre, die aber nie erreicht wird. Manche Aerosolpartikel (Wolkenkondensationskerne), wie z.B. Salze, reduzieren die Bedingung für Tröpfchenbildung in der Atmosphäre auf ca. 101 % relativer Luftfeuchte, da Wasser nur noch auf die Oberfläche der Teilchen zu kondensieren braucht. Diese Tröpfchen sind mit einem Radius von 50 nm und mehr in der Atmosphäre zu finden und sind stark von der Zusammensetzung des einzelnen Teilchens abhängig. Allerdings besteht hier noch viel Forschungs- und Diskussionsbedarf. Die Aerosolpartikelbildung und -zusammensetzung hat aber entscheidenden Einfluss auf die Bildung und das Verschwinden von Wolkentröpfchen durch Ausregnung und Verdunstung.

Strahlung

Ausserdem hat das Aerosol einen Einfluss auf die von der Sonne einfallende (vor allem UV und sichtbare Licht) und von der Erde ausgehende Strahlung (vor allem Infrarotstrahlung): es absorbiert, emittiert und streut die Strahlung direkt, durch Prozesse im Inneren und an der Oberfläche der Partikel. Indirekt haben die Aerosolpartikel über den bereits erwähnten Effekt der Wolkentröpfchenbildung einen weiteren Einfluss auf die Strahlungsbilanz am . Je mehr Aerosolpartikel vorhanden sind, die Wolkentropfen bilden können, desto mehr und desto kleinere Tröpfchen bilden sich, die ihrerseits Strahlung absorbieren und streuen. Der indirekte Effekt beeinflusst unterschiedlich die einfallende und von der Erde reflektierte und emittierte Strahlung. Beide Effekte des atmosphärischen Aerosols und ihre Auswirkungen auf das Klima sind allerdings derzeit noch nicht gut verstanden.

Messung

Um Aerosolpartikel wirklich messen zu können, müssen viele Probleme gelöst werden. Das Hauptproblem ist der enorme Größenbereich der Aerosole, der hohe Anforderungen wie z.B. wie den großen Unterschied in der Empfindlichkeit, je nach Teilchengröße, an die Geräte stellt. Als Trick lässt man z.B. die Teilchen durch Kondensation anwachsen, so dass sie mit optischen Methoden gezählt werden können. Ihre Masse kann man z.B. durch Filtersammlung bzw. Impaktorproben bestimmen. In Impaktoren wird vereinfacht ein Gasstrom um die Ecke gelenkt und die enthaltenen schweren Partikel bekommen sozusagen die Kurve nicht und treffen auf eine Prallfläche, auf der sie gesammelt werden.

Viele weitere Messmethoden sind entwickelt worden, die in der Regel jedoch nur auf einen Teilgrößenbereich des Aerosols angewandt werden können (optische Messungen, Ladungsverteilungsmessungen etc.).

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Text: Boris Bonn - Max Planck Inst. für Chemie Mainz, GER